Ausprobieren des NanoVNA V2 Vektor-Netzwerk-Analyzer

Was ist der NanoVNA V2?

EinVektor-Netzwerk-Analyzer (VNA) besteht aus einem abstimmbaren Hochfrequenzgenerator und einem synchron abgestimmten Empfänger. Der Empfänger misst die Amplitude und Phase des Signals an jedem Punkt. Auf diese Weise können Sie den Realteil des Signals und den Imaginärteil, das heißt Amplitude und Phasenwinkel, messen, die zusammen als Vektor dargestellt werden können, daher das „V“ in VNA. Der Begriff „Netzwerk“ bezieht sich auf jede Schaltung mit Widerständen, Kondensatoren und Induktivitäten. Der VNA hat zwei Anschlüsse, einen Ausgang und einen Eingang. Man kann zum Beispiel einen Bandpassfilter dazwischen schalten, um seinen Frequenzgang zu messen.

Ich habe ein solches Gerät zum ersten Mal vor vielen Jahren gesehen, als ich einen Freund besuchte, der als HF-Techniker in einem Fernsehturm arbeitete. Er hatte ein älteres Gerät zu Hause, da sein Arbeitsplatz ein neueres Gerät angeschafft hatte. Es war ein großer, schwerer Kasten voller Röhren. Damals war ich noch nicht von seinem praktischen Nutzen überzeugt. Wir wollten einen Resonanzkreis für eine bestimmte Frequenz im Kurzwellenbereich bauen, um einen zu empfangen. Da die Anschlüsse des VNA eine Impedanz von 50 Ω hatten, mussten wir den Schwingkreis mit Koppelwicklungen versehen. Das ist uns zwar gelungen, aber ich fand den Aufwand zu groß. Ich zog es vor, ein Dip-Meter zu verwenden oder die Spulenwindungen abzuschätzen und die Feinabstimmung mit der Kernschraube vorzunehmen.

Der kompakte NanoVNA V2

Heute gibt es kleine, kompakte und erschwingliche Geräte wie den NanoVNA V2 mit hervorragenden Funktionen. Ich habe die Vorteile eines solchen Geräts inzwischen zu schätzen gelernt. Der Weg dorthin war allerdings nicht einfach, da ich das Display und viele Menüfunktionen anfangs sehr verwirrend fand. Ich bin immer noch nicht ganz damit durch, aber ich habe eine Software gefunden, mit der ich alles von meinem PC aus steuern kann: VNA View.

 

Zunächst müssen Sie das USB-Kabel anschließen und den entsprechenden COM-Port im Menü Gerät auswählen. Sobald die Verbindung hergestellt ist, erlischt das Display des NanoVNA V2 und zeigt die Meldung USB MODE an.

Praktische Messung

Bei der ersten praktischen Messung wurde eine kleine UHF-Modellantenne untersucht. Die Sweep-Parameter wurden für den Messbereich von 300 MHz bis 3000 MHz mit 450 Messpunkten eingestellt.

Vor jeder Messung muss das Gerät mit genau den für die Messung vorgesehenen Anschlusskabeln kalibriert werden. Jedes Kabel hat eine Kapazität und eine Induktivität, die bei der Kalibrierung herausgerechnet werden. In der Regel verwenden Sie die mitgelieferten Koaxialkabel mit SMA-Steckern. Die Antenne sollte direkt an eines der beiden halbstarren blauen Anschlusskabel angeschlossen werden. Daher wurde der NanoVNA mit diesem Kabel kalibriert. Es gibt drei Endkappen für die drei Bedingungen: Kurzschluss, Leerlauf und 50 Ω Last. Wenn Sie auf „Messungen löschen“ klicken, wird die alte Kalibrierung gelöscht. Bringen Sie dann die Kurzschlusskappe an und klicken Sie auf „Kurzschluss“. Die Messung dauert aufgrund der großen Anzahl von Messpunkten relativ lange. Wenn die Messung abgeschlossen ist, wird die Schaltfläche „Kurzschluss“ blau. Der gleiche Vorgang wird für den offenen Stromkreis (Open) und die 50 Ω-Last (Load) wiederholt. Sobald alle drei Felder blau sind, ist die Kalibrierung abgeschlossen. Sie müssen nur noch auf „Übernehmen“ klicken, damit sie für nachfolgende Messungen wirksam wird.

Antennenmessung mit dem NanoVNA

Nun kann die Antenne angebracht werden. In diesem Fall bestand sie aus einer Grundplatte mit zwei nach unten abgewinkelten Radials. Alles wurde aus 0,6 mm dickem versilbertem Kupferdraht hergestellt. Sowohl der Viertelwellenstrahler als auch die beiden Radials waren genau 10 cm lang. Daher kann man eine Wellenlänge von 40 cm und eine Frequenz von 750 MHz erwarten.

 

Die Messung zeigt tatsächlich eine scharfe Resonanz bei 739 MHz. Die Impedanz des Speisepunktes liegt praktischerweise nahe bei 50 Ω. Ein paar kleine Experimente haben gezeigt, dass diese Impedanz durch Änderung des Winkels der beiden Radials angepasst werden kann. Eine exakte 50 Ω-Anpassung ist leicht zu erreichen.

Die Messung zeigt auch eine zweite Resonanz bei etwa der dreifachen Frequenz, die Dreiviertel-Wellenlängen-Resonanz bei 2272 MHz. Hier beträgt die Impedanz etwa 97 Ω.

Man könnte die Antenne verkürzen, um eine höhere Frequenz zu erreichen. Dies ist ein übliches Verfahren im Amateurfunk: Man macht die Antenne zunächst etwas zu lang und trimmt sie dann allmählich, bis die Resonanz bei der gewünschten Frequenz liegt. Antennenmessungen sind eine der häufigsten Anwendungen des NanoVNA, aber er kann noch viel mehr.

Messen von Bauteilen

Da ich mich besonders für Kurzwelle interessiere, stelle ich für die folgenden Messungen den Frequenzbereich auf 1 MHz bis 30 MHz ein. Außerdem stelle ich 500 Messpunkte ein. Das ist viel und bietet eine gute Auflösung, führt aber auch zu relativ langsamen Messungen. Die Ausgangsleistung des Generators wurde auf -20 dBm eingestellt.

 

Für meine Versuche habe ich ein Koaxialkabel mit zwei Krokodilklemmen an den Enden hergestellt, wobei die freien Enden nur etwa 5 cm lang sind. Bis 30 MHz funktioniert dieser Aufbau gut, weil die Verbindungen viel kürzer sind als die Viertelwellenlänge von 2,5 m bei 30 MHz. Die zusätzlichen Induktivitäten der Anschlüsse beeinflussen die Messung, so dass die Kalibrierung mit diesem Kabel durchgeführt werden muss. Bei den Standard-SMA-Kabeln gibt es drei Endkappen für Kurzschluss, Leerlauf und 50 Ω Last. Bei einem kundenspezifischen Kabel kann ich diese jedoch nicht verwenden.

 

Wenn bereits eine Kalibrierung durchgeführt wurde, erscheinen die drei Felder „Kurz“, „Offen“ und „Last“ blau. Klicken Sie zunächst auf „Clear Measurements“, um die alte Kalibrierung zu löschen. Die drei Felder werden dann weiß. Legen Sie dann einen Kurzschluss am Ende des Prüfkabels an, in diesem Fall durch Verbinden der beiden Krokodilklemmen. Klicken Sie auf „Kurzschluss“. Das Gerät geht alle Messpunkte durch und speichert die Ergebnisse für die Kurzschlussbedingung. Wenn Sie fertig sind, wird die Schaltfläche „Kurzschluss“ wieder blau. Öffnen Sie dann die Verbindung, klicken Sie auf „Open“ und warten Sie, bis auch dieses Feld blau wird. Schließen Sie schließlich einen 50 Ω-Widerstand an (51 Ω oder zwei 100 Ω-Widerstände parallel funktionieren auch), klicken Sie auf „Last“ und warten Sie, bis dieses Feld blau wird. Klicken Sie dann auf „Übernehmen“, damit diese Kalibrierung für die folgenden Messungen wirksam wird.

Ich habe wie bei der UHF-Antennenmessung nur den Anschluss CH0 verwendet, um S11-Messungen durchzuführen, d. h. die komplexe Impedanz von Komponenten oder Antennen zu messen. Das Signal an CH2 wird jedoch immer in rot angezeigt. Normalerweise sieht man hier das Hintergrundrauschen bei -70 dB. Durch Verkleinerung des Messbereichs wird der blaue CH0-Kanal besser sichtbar, und der rote Kanal stört nicht mehr. Unter 'View/Graph Limits' habe ich -30 dB bis +20 dB mit fünf Unterteilungen gewählt.

 

Nun beginnen die eigentlichen Messungen. Mit demselben Widerstand, den ich zur Kalibrierung verwendet habe, sehe ich einen Punkt genau in der Mitte des Smith-Diagramms. Das rechte Diagramm, mag(S11), zeigt die reflektierte Leistung bei etwa -30 dB, was eine fast perfekte Anpassung anzeigt. Nach längerem Betrieb kann sich die Kalibrierung leicht verschieben. Daher kann ich jetzt bei 1 MHz einen Widerstandswert von 53 Ω ablesen. Die gemessene Parallelkapazität von 3,5 pF ist vernachlässigbar.

 

Kohleschichtwiderstand wurde mit 99,79 Ω gemessen. Das Smith-Diagramm zeigt einen Punkt auf der Mittellinie, was anzeigt, dass jegliche Kapazität oder Induktivität vernachlässigbar ist. Die Rückflussdämpfung ist über den gesamten Frequenzbereich konstant.

 

Um sich mit den Messungen besser vertraut zu machen, ist es hilfreich, mit einigen gut definierten Objekten zu beginnen. Daher wurde ein 51 Ω-Widerstand parallel zu einem 220 pF-Kondensator geschaltet. Das Smith-Diagramm zeigt eine gekrümmte Linie. Die Tatsache, dass sie unterhalb der mittleren Linie liegt, deutet auf eine kapazitive Komponente hin. Das rechte Diagramm zeigt, dass mit steigender Frequenz mehr Leistung reflektiert wird. Mathematisch gesehen beträgt der kapazitive Blindwiderstand des Kondensators bei 14,5 MHz genau 50 Ω. Bei dieser Grenzfrequenz beträgt die Rückflussdämpfung 6 dB. Mit dem Schieberegler am unteren Rand wurde diese Frequenz eingestellt. Es zeigt sich, dass die Real- und Imaginärteile der Impedanz ähnlich groß sind und dass die Kapazität mit 240 pF etwas größer ist als angegeben.

 

Um einen Drehkondensator zu untersuchen, wurde er auf maximale Kapazität gedreht, die mit 258 pF gemessen wurde. Das Smith-Diagramm zeigt ein Kreissegment direkt auf dem Einheitskreis. Leichte Abweichungen nach außen deuten darauf hin, dass eine neue Kalibrierung fällig ist. Die Rückflussdämpfung beträgt 0 dB, was bedeutet, dass im Drehkondensator keine Verluste gemessen wurden.
 

Ein 91-Ω-, 10-W-Keramik-Leistungswiderstand weist eine starke induktive Komponente auf, da er einen gewickelten Drahtwiderstand enthält. Diese „Spule“ hat offensichtlich eine Induktivität, die mit 3,6 µH gemessen wird. Die Kurve im Smith-Diagramm liegt vollständig in der oberen Hälfte. Das macht deutlich, dass dieser Widerstand nicht für hohe Frequenzen geeignet ist.

 

Im Gegensatz dazu wies ein kleinerer 68 Ω, 5 W Leistungswiderstand keine Induktivität auf. Er kann als Blindlast für kleine HF-Leistungsverstärker bis zu 30 MHz verwendet werden. Ich habe jedoch bereits eine selbstgebaute Blindlast aus 24 parallel geschalteten 1,2 kΩ, 1 W Kohleschichtwiderständen mit. Auch diese habe ich gemessen, und sie hat den Test bestanden: glatte 50 Ω ohne Reaktanz bis zu 30 MHz.

Eine kleine Spule mit einem Nennwert von 1,1 µH wurde mit 1,04 µH bei 1 MHz gemessen. Der Serienverlustwiderstand beträgt etwa 4 Ω bei 1 MHz, steigt aber auf 16 Ω bei 30 MHz. Die Verluste sind daran zu erkennen, dass die Messkurve im Smith-Diagramm deutlich innerhalb des Einheitskreises liegt.
 

Ich verwende oft einfache Luftspulen in Tiefpassfiltern. Zehn Windungen von 0,2 mm Kupferlackdraht mit einem Spulendurchmesser von 5 mm sollten etwa 0,5 µH ergeben. Die letzte Windung wird auch zum Zusammenbinden des Bündels verwendet. Es ist klar, dass dieser Aufbau zu größeren Verlusten führt. Aber jetzt kann ich endlich messen, wie groß diese Verluste sind.
 

Mit 495 nH kommt er dem sehr nahe. Bei 30 MHz sehe ich jedoch bereits einen Reihenverlustwiderstand von 10 Ω. Bei 7 MHz sind es nur 5 Ω. Grob geschätzt bringt ein solches Filter Verluste von etwa 10 %. Das ist etwas, was ich mit meinen bisherigen Messmethoden nicht entdeckt hätte. Der VNA beweist seinen Wert!

 

Der NanoVNA kann auch Kabel untersuchen. Ein gewickeltes 50 Ω-Kabel wurde an einem Ende angeschlossen und am anderen Ende offen gelassen. Die Messung zeigt die Kapazität am unteren Ende und die Induktivität am oberen Ende. Bei 21,57 MHz kreuzt die Kurve im Smith-Diagramm die Mittellinie des Nullleiters. Dies zeigt die Viertelwellenresonanz an. Die elektrische Länge des Kabels beträgt also 3,48 m. Die mechanische Länge betrug jedoch nur 2,95 m. Aus dem Verhältnis lässt sich ein Geschwindigkeitsfaktor von 0,86 errechnen, was bedeutet, dass sich die Wellen mit 86 % der Lichtgeschwindigkeit durch das Kabel bewegen.